静电放电结构、包括该结构的电路及其使用方法与流程

本发明总体涉及集成电路领域，更具体地，涉及静电放电结构及其使用方法。

背景技术：

静电放电(ESD)结构用于消除(dissipate)电路内的电源浪涌，以降低由电流或电压的急剧增加而损害功能电路的风险。ESD结构将输入信号连接至工作电压和/或参考电压的至少一个，以消除电源浪涌。

在一些实例中，ESD结构包括二极管，该二极管在输入焊盘(input pad)处的电平一旦超过阈值时，就在接收输入信号的输入焊盘与工作电压或参考电压之间提供低电阻。在一些实施例中，多个二极管将输入焊盘连接至工作电压或参考电压，以为功率消耗(dissipation)提供多个路径。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种静电放电(ESD)结构，包括：输入焊盘；第一开关器件，电连接至输入焊盘；第一二极管，其中，第一开关器件被配置为将第一二极管选择性地连接至输入焊盘，并且第一二极管被配置为对输入焊盘处的ESD事件提供第一消耗路径；以及第二二极管，选择性地连接至输入焊盘，其中，第二二极管被配置为对输入焊盘处的ESD事件提供第二消耗路径。

优选地，该ESD结构还包括：第二开关器件，电连接至输入焊盘，其中，第二开关器件被配置为将第二二极管选择性地连接至输入焊盘，并且第二开关器件不同于第一开关器件。

优选地，该ESD结构还包括：第三二极管，其中，第一开关器件被配置为将第三二极管选择性地连接至输入焊盘。

优选地，该ESD结构还包括：电压总线，其中，第一二极管和第二二极管中的至少一个二极管电连接至电压总线。

优选地，该ESD结构还包括：参考电压总线，其中，参考电压总线电连接至第一二极管；以及工作电压总线，其中，工作电压总线电连接至第二二极管。

优选地，第一开关器件被配置为将第二二极管选择性地连接至输入焊盘。

优选地，第一开关器件包括金属熔丝、多晶硅熔丝、互补传输门、p型传输门、n型传输门或LC共振器。

优选地，第一二极管的沟道尺寸等于第二二极管的沟道尺寸。

优选地，第一二极管的沟道尺寸不同于第二二极管的沟道尺寸。

优选地，第一二极管固定连接至第二二极管。

优选地，第一二极管具有p型导电性，而第二二极管具有n型导电性。

根据本发明的另一方面，提供了一种电路，包括：功能电路；以及静电放电(ESD)结构，ESD结构被配置为在ESD事件期间保护功能电路，其中，ESD结构包括：输入焊盘；多个第一开关器件，电连接至输入焊盘；多个第一二极管，其中，多个第一开关器件中的每一个第一开关器件被配置为将多个第一二极管中的至少一个对应的第一二极管选择性地连接至输入焊盘；和至少一个第二二极管，可选择性地至输入焊盘。

优选地，该电路还包括：至少一个第二开关器件，电连接至输入焊盘，其中，至少一个第二开关器件被配置为将至少一个第二二极管中的对应的第二二极管选择性地连接至输入焊盘，并且至少一个第二开关器件与多个第一开关器件分离。

优选地，至少一个第二二极管中的一个第二二极管固定连接至多个第一二极管中的第一二极管，并且至少一个第二二极管中的另一个第二二极管连接至至少一个第二开关器件。

优选地，多个第一开关器件中的第一开关器件被配置为将多个第一二极管中的不止一个第一二极管选择性地连接至输入焊盘。

优选地，多个第一开关器件中的第一开关器件被配置为将至少一个第二二极管选择性地连接至输入焊盘。

优选地，多个第一二极管中的第一二极管的数量等于至少一个第二二极管中的第二二极管的数量。

优选地，多个第一开关器件中的每一个第一开关器件均独立地包括金属熔丝、多晶硅熔丝、互补传输门、p型传输门、n型传输门或LC共振器。

优选地，多个第一二极管中的一个第一二极管的沟道尺寸不同于多个第一二极管中的另一个第一二极管的沟道尺寸。

优选地，多个第一二极管中的一个第一二极管的沟道尺寸与多个第一二极管中的另一个第一二极管的沟道尺寸相同。

根据本发明的又一方面，提供了一种使用静电放电(ESD)结构的方法，其中，该方法包括：确定连接至ESD结构的功能电路的性能；以及基于确定的性能选择性地激活ESD结构中的至少一个开关器件，其中，选择性地激活至少一个开关器件包括调节ESD结构中的消耗路径的个数。

附图说明

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制并且仅仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。

图1是根据一些实施例的静电放电(ESD)结构的示图。

图2是根据一些实施例的ESD结构的示图。

图3是根据一些实施例的ESD结构的示图。

图4是根据一些实施例的包括ESD结构的电路的示图。

图5是根据一些实施例的使用ESD结构的方法的流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多不同实施例或实例，用于实现所提供主题的不同特征。以下将描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。这种重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

此外，为了便于描述，在此可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间关系术语以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或一些)元件或部件的关系。除图中所示的定向之外，空间关系术语旨在包括使用或操作过程中的器件的不同的定向。装置可以以其它方式定向(旋转90度或在其他定向)，并且在本文中使用的空间关系描述符可同样地作出相应地解释。

图1是根据一些实施例的静电放电(ESD)结构100的示图。ESD结构100包括被配置为接收输入信号的输入焊盘110。输入线111电连接至输入焊盘110。在一些实施例中，输入线111是包括多条导电路径的总线。第一多个二极管113a至113b中的每一个二极管均通过第一多个开关器件115a至115b中的对应的开关器件选择性地连接至输入线111。第二多个二极管117a至117c中的每一个二极管均通过第二多个开关器件119a至119c中的对应的开关器件可选地连接至输入线111。第一多个二极管113a至113b被配置为通过参考电压线121将输入线111电连接至参考电压120。第二多个二极管117a至117c被配置为通过工作电压线131将输入线111电连接至工作电压130。在图1中，虽然ESD结构包括第一多个二极管中的两个二极管和第二多个二极管中的三个二极管，但是任何数量的第一多个二极管或任何数量的第二多个二极管都在多个实施例的范围内。

输入焊盘110是ESD 100的输入/输出(I/O)器件。功能电路(未示出)也被配置为从输入焊盘110处接收信息。该功能电路被配置为处理在输入焊盘110处接收的输入信号。在实际操作期间，ESD事件(event)导致了在输入焊盘110处的电流或电压的急剧增加。ESD结构100被配置为消除由于ESD事件而造成的电压波动，从而有助于保护功能电路免受ESD事件带来的损害。随着工艺节点的减小和栅极介电层变得更薄，功能电路对ESD事件的敏感程度增大。

在一些实例中，由于寄生电容或寄生电阻，ESD结构会影响功能电路的性能。这种性能的影响包括降低功能电路的速度或增大功能电路的功耗。随着用于消除ESD事件的路径增多，增强了对功能电路的保护。然而，用于消除ESD事件的路径的增多也增大了对功能电路的性能的影响。难以准确地确定ESD结构对功能电路的寄生影响。因此，电路设计者面临着挑战，即，给功能电路提供充分的ESD保护的同时却没有用于确定ESD结构将如何影响功能电路的性能的准确的模型。在一些实例中，过度设计(overdesigned)的ESD结构不必要地降低了功能电路的性能。在一些实例中，ESD结构按照未能充分保护功能电路的方式来设计，这降低了最终产品的可靠性。

ESD结构100有助于给功能电路提供充分的保护，同时减小对功能电路的性能的影响。第一多个开关器件115a至115b避免了在ESD结构100的整体操作期间将第一多个二极管113a至113b电连接至连接输入线111的功能电路。此外，第二多个开关器件119a至119c避免了在ESD结构100的整体操作期间将第二多个二极管117a至117c电连接至连接输入线111的功能电路。因此，相比于不具有开关器件的结构，减小了对功能电路的性能的影响。对功能电路的性能影响的减小转而允许可对ESD结构100进行过度设计从而有助于保证对功能电路的充分的保护，同时保持功能电路所需要的性能。

输入焊盘110是用于接收输入信号的导电元件。在一些实施例中，输入焊盘110是互连结构的一部分。在一些实施例中，输入焊盘110是I/O引脚。在一些实施例中，输入焊盘110被配置为电连接至三维集成电路(3DIC)中的单独的芯片。

输入线111被配置为将输入信号从输入焊盘110处传输至功能电路和ESD结构100的其他元件。在一些实施例中，输入线111是互连结构的一部分。在一些实施例中，输入线111和输入焊盘110是同一互连结构的一部分。在一些实施例中，输入线111和输入焊盘110是不同互连结构的一部分。在一些实施例中，输入线111和输入焊盘110位于相同的金属层面(metal level)上，即，与衬底顶面的距离相同。在一些实施例中，输入线111和输入焊盘110位于不同的金属层面上。

第一多个二极管113a至113b中的每一个二极管均被配置为一旦其一端处的功率(power)超过阈值，就提供自第一多个开关器件115a至115b中的对应的开关器件开始的低电阻路径。ESD结构100包括二极管113a和二极管113b。在一些实施例中，ESD结构100包括不止两个连接至参考电压线121的二极管。

在一些实施例中，二极管113a与二极管113b具有相同的结构。在一些实施例中，二极管113a与二极管113b具有不同的结构。在一些实施例中，二极管113a能够比二极管113b通过更大的电流。在一些实施例中，二极管113a与二极管113b具有不同的沟道尺寸。二极管113a能够比二极管113b通过更大的电流使得在ESD结构100中实现更大程度的调谐(tuning)。例如，如果在ESD事件期间功率消耗的需要大于二极管113b的功率消耗能力，那么可激活开关器件115a，以消除ESD事件，而避免激活开关器件115b。这样减小了对功能电路的性能的影响，同时保持了对功能电路的充分的保护。在一些实施例中，第一多个二极管113a至113b具有n型导电性。在一些实施例中，第一多个二极管113a至113b具有p型导电性。

第一多个开关器件115a至115b中的每一个开关器件均被配置为将第一多个二极管113a至113b中的对应的二极管可选地连接至输入线111。ESD结构100中第一多个开关器件115a至115b与第一多个二极管113a至113b之间存在一一对应的关系。在一些实施例中，单个开关器件被配置为将不止一个二极管可选地连接至输入线111。

在一些实施例中，第一多个开关器件115a至115b中的至少一个开关器件包括金属熔丝、多晶硅熔丝、互补传输门、p型传输门、n型传输门、LC共振器或其他合适的开关器件。在一些实施例中，LC共振器包括与电容器并联的电感器。在一些实施例中，LC共振器包括与电容器串联的电感器。因为不管电感器与电容器是否并联还是串联，当通过LC共振器的频率等于(LC)^-0.5时，LC共振器能够用作开关器件。在一些实施例中，开关器件115a的设计与开关器件115b的设计相同。在一些实施例中，开关器件115a的设计与开关器件115b的设计不同。

第二多个二极管117a至117c中的每一个二极管均被配置为一旦其一端处的功率超过阈值，就提供自第二多个开关器件119a至119c中的对应的开关器件开始的低电阻路径。ESD结构100包括二极管117a、二极管117b和二极管117c。在一些实施例中，ESD结构100包括多于或少于三个连接至工作电压线131的二极管。

在一些实施例中，二极管117a与二极管117b和二极管117c中的至少一个具有相同的结构。在一些实施例中，二极管117a与二极管117b和二极管117c中的至少一个具有不同的结构。在一些实施例中，二极管117a能够比二极管117b和二极管117c中的至少一个通过更大的电流。在一些实施例中，二极管117a与二极管117b和二极管117c中的至少一个具有不同的沟道尺寸。在一些实施例中，第二多个二极管117a至117c具有n型导电性。在一些实施例中，第二多个二极管117a至117c具有p型导电性。

在一些实施例中，第二多个二极管117a至117c中的所有二极管与第一多个二极管113a至113b中的所有二极管具有相同的结构。在一些实施例中，第二多个二极管117a至117c中的至少一个二极管与第一多个二极管113a至113b中的至少一个二极管具有不同的结构。ESD结构100在第一多个二极管113a至113b中所包括的二极管比在第二多个二极管117a至117c中所包括的二极管少。在一些实施例中，第一多个二极管113a至113b与第二多个二极管117a至117c包括相同数量的二极管。在一些实施例中，第一多个二极管113a至113b所包括的二极管比第二多个二极管117a至117c所包括的二极管多。

第二多个开关器件119a至119c中的每一个开关器件均被配置为将第二多个二极管117a至117c中的对应的二极管可选地连接至输入线111。ESD结构100中的第二多个开关器件119a至119c与第二多个二极管117a至117c之间存在一一对应的关系。在一些实施例中，单个开关器件被配置为将不止一个二极管可选地连接至输入线111。

在一些实施例中，第二多个开关器件119a至119c中的至少一个开关器件包括金属熔丝、多晶硅熔丝、互补传输门、p型传输门、n型传输门、LC共振器或其他合适的开关器件。在一些实施例中，LC共振器包括与电容器并联的电感器。在一些实施例中，LC共振器包括与电容器串联的电感器。在一些实施例中，开关器件119a的设计与开关器件119b和开关器件119c中的至少一个的设计相同。在一些实施例中，开关器件119a的设计与开关器件119b和开关器件119c中的至少一个的设计不同。

在一些实施例中，第二多个开关器件119a至119c中的所有开关器件与第一多个开关器件115a至115b中的所有开关器件具有相同的设计。在一些实施例中，第二多个开关器件119a至119c中的至少一个开关器件与第一多个开关器件115a至115b中的至少一个开关器件具有不同的设计。ESD结构100在第一多个开关器件115a至115b中所包括的开关器件比在第二多个开关器件119a至119c中所包括的开关器件少。在一些实施例中，第一多个开关器件115a至115b与第二多个开关器件119a至119c包括相同数量的开关器件。在一些实施例中，第一多个开关器件115a至115b所包括的开关器件比第二多个开关器件119a至119c所包括的开关器件多。

参考电压120可用于消除输入焊盘110处所接收的ESD事件。在一些实施例中，参考电压120是接地电压，即，0V。在一些实施例中，参考电压120大于0V。在一些实施例中，参考电压120小于0V。在一些实施例中，通过外部电路提供参考电压120。

参考电压线121被配置为将信号从ESD结构100的其他元件传输至参考电压120。在一些实施例中，参考电压线121是互连结构的一部分。

工作电压130可用于消除输入焊盘110处所接收的ESD事件。在一些实施例中，工作电压130是电源电压(voltage drain drain，VDD)。在一些实施例中，工作电压130基于功能电路中器件的阈值电压来确定。在一些实施例中，通过外部电路提供工作电压130。

工作电压线131被配置为将信号从ESD结构100的其他元件传输至工作电压130。在一些实施例中，工作电压线131是互连结构的一部分。

图2是根据一些实施例的ESD结构200的示图。ESD结构200类似于ESD结构100(图1)，下面将讨论ESD结构200与ESD结构100之间的区别的非限制性实例。图2中相同元件的参考标号比图1中的标号增大了100。相比于ESD结构100，ESD结构200中第一多个二极管213a至213c中的二极管与第二多个二极管217a至217c中的对应的二极管之间存在固定电连接。第二多个开关器件219a至219c中的单个开关器件被配置为将对应的二极管都可选地连接至输入线211。例如，开关器件219a被配置为将二极管213a和二极管217a均可选地连接至输入线211。在图2中，虽然ESD结构200包括第一多个二极管中的三个二极管和第二多个二极管中的三个二极管，但是任何数量的第一多个二极管和任何数量的第二多个二极管都在多个实施例的范围内。

相比于ESD结构100，ESD结构200省略了第一多个开关器件。在一些实施例中，ESD结构200包括第一多个开关器件，而省略了第二多个开关器件219a至219c中的至少一个开关器件。

固定电连接的二极管具有相同的消耗能力。例如，二极管217a的功率消耗能力等于二极管213a的功率消耗能力。在一些实施例中，二极管217a与二极管217b和二极管217c具有相同的功率消耗能力。在一些实施例中，二极管217a与二极管217b和二极管217c中的至少一个具有不同的功率消耗能力。

ESD结构200中第一多个二极管213a至213c中的二极管与第二多个二极管217a至217c中的二极管之间存在一一对应的关系。在一些实施例中，ESD结构200在第一多个二极管213a至213c中所包括的二极管的数量比在第二多个二极管217a至217c中所包括的二极管的数量多。在一些实施例中，ESD结构200在第一多个二极管213a至213c中所包括的二极管的数量比在第二多个二极管217a至217c中所包括的二极管的数量少。在第一多个二极管213a至213c与第二多个二极管217a至217c之间缺少一一对应的关系的一些实施例中，至少三个二极管通过单个开关器件可选地连接至输入线211。例如，在一些实施例中，开关器件219a被配置为将二极管213a、二极管217a和附加的一个二极管可选地连接至输入线211。在第一多个二极管213a至213c至第二多个二极管217a至217c之间缺少一一对应关系的一些实施例中，至少一个二极管没有与另一个二极管共用开关器件。例如，在一些实施例中，省略了二极管213c，因此开关器件219c被配置为仅将二极管217c可选地连接至输入线211。

图3是根据一些实施例的ESD结构300的示图。ESD结构300类似于ESD结构100(图1)，下面将讨论ESD结构300与ESD结构100之间的区别的非限制性实例。图3中相同的元件的参考标号比图1中的元件的参考标号增大了200。相比于ESD结构100，ESD结构300包括固定电连接的几个二极管和可单独连接至输入线311的几个二极管。开关器件319a被配置为将二极管317a和二极管313a均可选地连接至输入线311。开关器件319b被配置为将二极管317b均可选地连接至输入线311。开关器件319c被配置为将二极管317c和二极管313c均可选地连接至输入线311。开关器件315b被配置为将二极管313b可选地连接至输入线311。固定电连接的二极管具有相同的消耗能力。在图3中，虽然ESD结构300包括第一多个二极管中的三个二极管和第二多个二极管中的三个二极管，但是任何数量的第一多个二极管和任何数量的第二多个二极管都在多个实施例的范围内。

ESD结构300中可单独地连接至输入线311的各二极管之间存在一一对应的关系。在一些实施例中，ESD结构300包括更多数量的可单独连接的二极管，以将输入线311连接至参考电压线321。在一些实施例中，ESD结构300包括更多数量的可单独连接的二极管，以将输入线311连接至工作电压线331。

ESD结构300中可共同连接至输入线311的二极管之间存在一一对应关系。在一些实施例中，ESD结构300包括更多数量的可共同连接的二极管，以将输入线311连接至参考电压线321。在一些实施例中，ESD结构300包括更多数量的可共同连接的二极管，以将输入线311连接至工作电压线331。在可共同连接的第一多个二极管313a至313c与可共同连接的第二多个二极管317a至317c之间缺乏一一对应关系的实施例中，至少三个二极管通过单个开关器件可选地连接至输入线311。

图4是根据一些实施例的包括ESD结构405的电路400的示意图。ESD结构405类似于ESD结构200(图2)，下面将讨论ESD结构405和ESD结构200之间的区别的非限制性实例。图4中相同元件的参考标号比图2中元件的参考标号增大了200。除了ESD结构405以外，电路400包括连接至输入焊盘410的低噪声放大器(LNA)450以及连接至工作电压430与参考电压420的电源钳位(power clamp)460。LNA 450和功率钳460是功能电路的实例。ESD结构405被配置为在ESD事件期间保护LNA 450和功率钳460。在一些实施例中，电路400包括与LNA 450或功率钳460不同的功能电路。在一些实施例中，功能电路包括存储单元、逻辑器件、时钟信号发生器、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、触发器、计数器或其他合适的功能电路。

图5是根据一些实施例的使用ESD结构的方法500的流程图。方法500始于步骤502，在步骤502中，将ESD结构连接至功能电路。在一些实施例中，ESD结构是ESD结构100(图1)、ESD结构200(图2)、ESD结构300(图3)、ESD结构405(图4)或其他合适的ESD结构。将ESD结构通过输入总线(例如，输入线111、输入线211、输入线311、输入线411、或其他合适的输入总线)连接至功能电路。在一些实施例中，输入总线与ESD结构和功能电路位于同一芯片中。在一些实施例中，输入总线与ESD结构和功能电路中的至少一个位于不同的芯片中。在一些实施例中，输入总线在中介层(interposer)中。

方法500继续至步骤504，在步骤504中，测试功能电路以确定功能电路的性能。在制造功能电路之后测试功能电路，以对功能电路的性能提供更加准确的测量。

在步骤506中，基于功能电路的性能可选择激活ESD结构的至少一个开关器件。在一些实施例中，开关器件包括第一多个开关器件(例如，第一多个开关器件115a至115b(图1)、第一多个开关器件315b(图3)和其他合适的开关器件)中的至少一个。在一些实施例中，开关器件包括第二多个开关器件(例如，第二多个开关器件119a至119c、第二多个开关器件219a至219c(图2)、第二多个开关器件319a至319c、第二多个开关器件419a至419c(图4)和其他合适的开关器件)中的至少一个。

选择性的激活包括改变ESD结构中的消耗路径的数量。在一些实施例中，选择性的激活包括诸如熔断熔丝的去活(deactivation)，以减少消耗路径的数量。在一些实施例中，选择性的激活包括动态激活。动态激活使得定期测量功能电路的性能，然后将一个或多个开关器件激活或去活。

本发明的一个方面涉及静电放电(ESD)结构。ESD结构包括输入焊盘和电连接至输入焊盘的第一开关器件。ESD结构还包括第一二极管，其中第一开关器件被配置为将第一二极管可选地连接至输入焊盘，并且第一二极管被配置为提供用于输入焊盘处的ESD事件的第一消耗路径。ESD结构还包括可选地可连接至输入焊盘的第二二极管，其中第二二极管被配置为提供用于输入焊盘处的ESD事件的第二消耗路径。

本发明的另一个方面涉及一种电路。该电路包括功能电路和静电放电(ESD)结构，该ESD结构被配置为在ESD事件期间保护功能电路。ESD结构包括输入焊盘和电连接至输入焊盘的多个第一开关器件。ESD结构包括多个第一二极管，其中多个第一开关器件中的每一个第一开关器件被配置为将多个第一二极管中的至少一个对应的第一二极管可选地连接至输入焊盘。ESD结构还包括可选地可连接至输入焊盘的至少一个第二二极管。

本发明的又一个方面涉及一种使用静电放电(ESD)结构的方法。该方法包括确定连接至ESD结构的功能电路的性能。该方法还包括基于确定的性能可选地激活ESD结构中的至少一个开关器件，其中可选地激活至少一个开关器件包括调节ESD结构中的消耗路径的数量。

上面论述了若干实施例的特征，使得本领域的技术人员可以更好地理解本发明的各个方面。本领域的技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改其他用于执行与本发明所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优点的工艺和结构。本领域的技术人员也应该意识到，这种等效构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及变更。